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专利名称：非常规条件下太赫兹波检测气体用载气装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光学光谱检测领域，尤其是涉及高压、低压条件下利用太赫兹脉冲检测气态、液态气体的载气装置。
背景技术：
太赫兹(THz)波是指1012Hz的电磁波，太赫兹波光谱对应着分子的集体振动模式，太赫兹波的能量和黑体辐射很低(ITHz = 4. 2meV)，对检测物体不易发生电离，不会引起物体组分的光离化，是ー种安全、无损的检测源。太赫兹时域光谱(THz-TDS)分析技术对探測物质结构存在的微小差异及对映异构体、同分异构体间的变化非常敏感，分子之间弱的相互作用(如氢键)及大分子的骨架振动(构型弯曲)、偶极子的旋转和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动吸收频率则对应于太赫兹波段，这些振动所反映的分子结构及相关环 境信息都在太赫兹波段内有不同吸收位置及吸收强度的响应。同吋，THz-TDS分析系统是同步相干探測，对热背景噪声不敏感，可以提供很高的信噪比(104)。长期以来，人们为了认识和研究各种气体的化学性质及其含量。采取了不同的分析检测方法，例如气相色谱法、质谱法以及比色法。在大气痕量气体测量技术中。主要采用光谱学和化学方法。与点式化学測量技术相比，光谱学技术的优势在于不需要多点取样。能对不易接近的危险区域监测，可以同时測量多种气体成分，且探测灵敏度高，所以光谱学技术是当前大气痕量气体在线监测的发展方向和技术主流。目前，基于中红外光谱特性的成熟技术己经灵敏检测了很多气体，这些检测都是基于振动指纹光谱。但是，大分子气体在中红外频段呈现出非常复杂和密集的线形。单纯依靠中红外光谱分析来鉴别不同分子是非常困难的。许多极性气体经过THz波时，会有特征吸收，由于只剩下了纯转动光谱。所以线形简单很多。通过比较THz波通过气体样品前后的频谱。就可以得到气体的特征谱线。利用这些吸收特征谱线探測和鉴别气体是对已经建立的中红外光谱技术是ー个很好的补充。这些转动吸收光谱代表了为数不多的转动能量參数。所以利用THz光谱来鉴别复杂气体分子要容易很多，同时能够极大扩充适用于光谱鉴别的气体数量。大气污染物目前已知约有100多种，按其存在状态的不同主要有两大类。ー类是粉尘、烟液滴、雾、降尘、飘尘、悬浮物等气溶胶状态污染物；一类是气体状态污染物，主要包括以ニ氧化硫为主的硫氧化合物，以ニ氧化氮为主的氮氧化合物，以ニ氧化碳为主的碳氧化合物以及碳、氢结合的碳氢化合物。大气中既含无机污染物，也含有机污染物。随着人类不断开发出新的物质，大气污染物的种类和数量也在不断变化。综上所述，利用THz波研究气体不论是对气体物理、化学性质的基础研究还是对大气污染等应用研究都有重要的研究意义。对于强极性分子气体THz吸收过强，測量中需要对气体分子密度进行调控；对于非极性分子，測量中也可以采取液化方式对其分子与THz辐射的作用进行研究。对于以上两种研究方式，对光路中载气装置有耐高压、耐低温、可抽真空等要求。但是，目前主流THz检测设备很难实现上述非常规条件下的体系检测要求，同时，普遍空间狭小。由此构成的太赫兹时域光谱分析系统(THz-TDS系统)对常温常压无公害弱极性分子气体样品方便检测，但是，对于非常规条件下强极性分子气体及液态非极性分子气体的检测比较困难。
发明内容为解决上述问题，本实用新型提供ー种非常规条件下利用THz波检测气体性质的透射式測量载气装置。不仅节约光程，还可以有效的解决上述測量中所面临的需要高压、低压、可抽真空等问题，并为气体的測量检测提供足够的空间。本文所述太赫兹波简称为THz波，太赫兹时域光谱分析系统简称为THz-TDS系统。为达到上述目的，本实用新型提供一种用于检测气体性质的透射式測量载气装置，其特征包括储气筒，用于储存气体样品，并使得检测波透射通过所述气体样品以供测量； 稳压器，与所述储气筒相连，用于充入待检测气体样品，或者连接真空泵；真空表，与所述稳压器相连，用于检测所述稳压器内负压；压カ表，与所述储气筒相连，用于检测储气筒内压强。由于稳压器的设置使得载气装置更易于抽真空，并且能够测量负压和正压两种不同情况的待检测气体，在非常规条件下可以很容易实现定压测量。为极性分子气体的负压检测及非极性分子气体的液化检测提供了技术支持，同时有利于有害气体的測量研究，测量的安全性显著提高。利用本实用新型提供的透射式測量载气装置构建的THz-TDS系统能够方便的对待测气体的压カ进行调控，可以进行强极性分子气体透射式THz光谱检测及液态非极性分子气体透射式THz光谱检测。

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进ー步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。在附图中图I是本实用新型的THz-TDS系统结构图；图2是本实用新型的透射式測量载气装置的结构图；图3是图2中的储气筒的截面图；图4是图3中的储气筒右端密封法兰截面图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本实用新型做进ー步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。图I是典型的THz-TDS系统的结构图。通常包括飞秒激光器、THz辐射产生装置、载气装置、THz辐射探測装置和时间延迟控制系统装置。图I中激光L为飞秒激光器发出的飞秒激光。飞秒激光即脉冲宽度为飞秒(10-15秒)量级的激光。此处使用的飞秒激光器为常用的飞秒激光器，产生的飞秒激光的波长和具体脉冲宽度依照所进行的气体检测的具体要求确定，其内容为本领域的公知常识。[0023]所述飞秒激光被分成两束，其中激光LI作为探测光，激光L2作为泵浦光入射进THz辐射产生装置用于产生THz波。THz波经过时间延迟控制装置进入本实用新型的透射式检测载气装置S2，并射出后与所述探测光汇合后进入THz辐射探測装置S3，进行分析检測。图I中的SI是平移台，用于控制激光光程。图I中的透射式检测载气装置S2具体结构如图2所示。优选分为上下两层，下层是储气筒10，用于储存气体样品，并使得检测用的THz波透射通过所述气体样品以供测量。上层包括稳压器7，和真空表5、压カ表6。其中，如图2所示，真空表5与稳压器7相连，用于检测所述稳压器7内负压；压力表6，与储气筒10相连，用于直接检测储气筒10内的正向压强。稳压器7优选设有抽真空阀2与进气阀3，用于控制充入待检测气体样品，连接真空泵。待调整好THz-TDS系统的各部分设置后，可以通过稳压器7充入待检测气体样品，进行测量。具体步骤通常为 (A)向透射式測量载气装置充入氮气作为保护气体；⑶关闭进气阀3;(C)打开抽真空阀2，另一端接有真空泵，将整个透射式測量载气装置抽真空；(D)观察真空表5，当腔体内真空度达到标准要求后关闭抽真空阀2 ；(E)通过进气阀3对充入待检测气体样品；(F)当充入的所述气体样品达到測量气压时，进气阀3停止充入气体样品。此时分两种情况对待如果测量负压条件气体样品，则按照真空表5刻度对装置内气压进行控制，达到相关测量要求时，停止充气；如果测量高压条件气体样品，通过压カ表6的刻度进行控制，当满足测量要求，停止充气。(G)此时储气筒10中的待检测气体样品达到测量条件，使THz波垂直入射储气筒10，并从另一端射出；(H)对透射过样品的THz脉冲进行信号采集，对照參考曲线，得到经过样品吸收后的THz脉冲信号的信息，得到待检测气体样品的光谱数据。利用THz-TDS系统的THz辐射探测装置S3对透射过样品的THz波以及作为參考的探測光LI进行信号采集。设定LI的THz光谱为參考曲线，可得到经过样品吸收后的THz脉冲信号的能量衰减及相位延迟等信息。
具体实施方式
为利用THz-TDS系统获得本实用新型载气装置内样品的THz信号数据，通过数据处理可得到气体的时域谱曲线；根据參考信号和样品信号通过快速傅里叶变换得到相应的频域值，确定气体样品的吸收系数频率范围；根据基于菲涅尔公式的数据处理模型计算得到气体样品在该太赫兹波段的折射率n(v)和吸收系数a (V)，可通过以下公式计算得到的
权利要求1.一种非常规条件下太赫兹波检测气体用载气装置，其特征在于，包括 储气筒，用于储存气体样品，并使得检测波透射通过所述气体样品以供测量； 稳压器，与所述储气筒相连，用于充入待检测气体样品，或者连接真空泵； 真空表，与所述稳压器相连，用于检测所述稳压器内负压； 压力表，与所述储气筒相连，用于检测储气筒内压强。
2.根据权利要求I所述的非常规条件下太赫兹波检测气体用载气装置，其特征在于，所述稳压器设有抽真空阀和进气阀。
3.根据权利要求2所述的非常规条件下太赫兹波检测气体用载气装置，其特征在于，所述真空表和所述稳压器之间设有真空表连通阀。
4.根据权利要求3所述的非常规条件下太赫兹波检测气体用载气装置，其特征在于，所述储气筒和压力表之间设置有压力表连通阀。
5.根据权利要求4所述的非常规条件下太赫兹波检测气体用载气装置，其特征在于，所述稳压器上还连接有排气阀。
6.根据权利要求5所述的非常规条件下太赫兹波检测气体用载气装置，其特征在于，所述储气筒与所述稳压器之间设有调压阀。
7.根据权利要求6所述的非常规条件下太赫兹波检测气体用载气装置，其特征在于，所述储气筒的两端通过密封法兰密封，设置于两端的所述密封法兰分别对称设有石英窗口，以供检测波通过一端的石英窗口入射，并从另一端石英窗口射出。
8.根据权利要求7所述的非常规条件下太赫兹波检测气体用载气装置，其特征在于 所述储气筒由合金材料制成，侧壁厚度为5-9_。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的非常规条件下太赫兹波检测气体用载气装置，其特征在于 所述稳压器是合金材料制成的中空圆柱形结构，内径为20-50mm、长度为40_70mm。
10.根据权利要求5-8中任意一项所述的非常规条件下太赫兹波检测气体用载气装置，其特征在于 所述排气阀出口为细管道。
专利摘要本实用新型提供了一种非常规条件下利用THz波研究气体的透射式测量载气装置，包括用于储存气体样品的储气筒，使得检测波透射通过所述气体样品进行测量；与所述储气筒相连地设置有稳压器，通过稳压器充入待检测气体样品，或者抽真空；稳压器上设置有真空表，可检测所述稳压器内负压；储气筒上设置有压力表，用于检测储气筒内正压。本实用新型可用于THz-TDS系统中，从而使得系统可以在负压、正压条件下进行气体检测，可同时用于强极性分子气体或液态非极性分子气体检测测量。有效提高测量精度，测量结果唯一，具有指纹特性。
文档编号G01N21/25GK202548049SQ20122012290
公开日2012年11月21日 申请日期2012年3月28日 优先权日2012年3月28日
发明者徐山森, 田璐, 赵昆 申请人:中国石油大学(北京)